BUDOWA ATOMU

TEORIA O ATOMOWEJ BUDOWIE SUBSTANCJI

ATOM

Pojęcie atomu pojawiło się w IV w p.n.e.. Wprowadził je grecki filozof Demokryt z Abdery.

Pochodzi ono od greckiego słowa "atomas" (niepodzielny).

W XIX w dokonano odkryć naukowych, które utworzyły pojęcie niepodzielnego atomu i ujawniły istnienie wewnętrznych składników atomu.

Zatem termin"atom" ma znaczenie historyczne.

W 1804 roku angielski uczony John Dalton opracował hipotezę o atomistyczno- cząsteczkowej budowie materii.

Następnie hipoteza ta została udowodniona naukowo.

W wersji współczesnej obowiązuje do dzisiaj.

VII POSTULATÓW WSPÓŁCZESNEJ TEORII DALTONA

1. Każdy pierwiastek chemiczny jest zbiorem małych cząsteczek zwanych atomami. Wszystkie atomy tego samego pierwiastka mają takie same właściwości chemiczne.

2. Atomy różnych pierwiastków różnią się od siebie cechami fizycznymi i chemicznymi. Istnieje tyle rodzajów atomów ile mamy pierwiastków.

3. Atom danego pierwiastka nie może ulec przekształceniu w atom innego pierwiastka na drodze zwykłej reakcji chemicznej.

4. Łączenie się pierwiastków w związki chemiczne polega na łączeniu się atomów różnych pierwiastków w większe zespoły zwane cząsteczkami.

VII postulatów współczesnej teorii Daltona:

5. Związek chemiczny jest zbiorem cząsteczek. Wszystkie cząsteczki danego związki chemicznego zawierają tę samą liczbę tych samych atomów i mają identyczne właściwości chemiczne.

6. Rozłożenie związku chemicznego na pierwiastki polega na rozpadzie cząsteczek na atomy.

7. Atomy tego samego pierwiastka mogą połączyć się w cząsteczki np: O2.

John Dalton (1766-1844)

Jego pierwszą pracą naukową była praca na temat daltonizmu – choroby, z która do dziś kojarzy się z jego nazwiskiem. Daltonizm, inaczej ślepota barw, to wada wzroku, polegającą na nie rozróżnianiu kolorów czerwonego oraz zielonego i przyjmowaniu ich za kolor szary. Cierpiał właśnie na tę chorobę.

W swoim życiu Dalton napisał jeszcze wiele prac naukowych i dokonał wielu odkryć. Wyjaśnił prawo stałości składu, sformułował prawo ciśnień cząstkowych i stosunków wielokrotnych. Jako pierwszy zajął się i ułożył skalę mas atomowych. Za wzorzec obrał najlżejszy z pierwiastków - wodór (dziś wzorcem jest węgiel C12). Przypisał mu wartość masy równą jedności. Na drodze różnych obliczeń i doświadczeń, Dalton wyznaczył masy względne wszystkich znanych mu pierwiastków

STRUKTURA ATOMOWA

·         Atomy składają się ze zwartego, dodatnio naładowanego jądra atomowego, otoczonego w stosunkowo dużej odległości  od niego,  przez ujemnie naładowane elektrony.

·         Jądro zawiera subatomowe cząstki neutrony, które są elektrycznie obojętne i protony, które są naładowane dodatnio, wspólna nazwa protonów i neutronów to nukleony.

·         Wymiary jądra są bardzo małe

·         Średnica wynosi około 10-14 do 10-15 m

·         Średnica atomu jest rzędu 10-10m             

·         W jądrze skupia się praktycznie cała masa atomu

Liczba atomowa

Atom jest opisany liczbą atomową, która określa liczbę protonów znajdujących się w jądrze atomowym. Jest to jednocześnie liczba elektronów, zawartych w atomie.

Najmniejsza liczbę atomową Z= 1 ma wodór, dla helu Z=2, dla litu Z=3 itd. Jak w układzie okresowym pierwiastków.

Największa liczba atomowa jaka jest obecnie znana wynosi 112 i pierwiastek ten nie ma jeszcze  ustalonej nazwy.

Masa atomowa

Dawniej sądzono (Dalton), że wszystkie atomy danego pierwiastka maja taka sama masę.

W przyrodzie istnieją jednak atomy tego samego pierwiastka (o tej samej liczbie atomowej), które różnią się jednak masą.

Odmiany atomów pierwiastka, różniące się masą atomową nazywamy izotopami.

Atomy poszczególnych izotopów noszą nazwę nuklidów .

Izotopy tego samego pierwiastka mają nuklidy o tej samej liczbie atomowej, lecz o różnej masie.

Większość pierwiastków występujących w przyrodzie stanowi mieszaninę kilku izotopów.

Masa atomowa

Bezwzględne masy atomów wyrażone w gramach są bardzo małe (rzędu 10-24g).

Przyjęto jednostkę znacznie mniejszą od grama, którą nazwano atomową jednostką masy, u

Jest to 1/12 część masy nuklidu izotopu węgla 12C

1 u = 1,665 x 10-24  g                               1 g  = 6,02214 x  1023 u

Masa atomowa izotopu 12C wynosi 12,000000 u

Masy atomowe poszczególnych izotopów wyrażone w tej skali przyjmują wartości bliskie, ale nie równe liczbom całkowitym.

Liczbę całkowitą najbliższą masy danego izotopu nazywamy jego liczbą masową.

Masy atomowe kolejnych izotopów tlenu przyjmują wartości: 15,99491462u   16,9991315u   17,999160u

izotopy tlenu o liczbach masowych 16, 17, i 18 zapisujemy: 

Masa atomowa

Pierwiastki występujące w przyrodzie stanowią mieszaniny różnych izotopów.

Chcąc obliczyć masę atomową pierwiastka trzeba obliczyć średnią masę atomową uwzględniając udział izotopów pierwiastka w mieszaninie występującej w przyrodzie.

Średnią masę atomową węgla obliczymy więc:

10 000 atomów tego pierwiastka zawiera 9889 atomów izotopu 12C o masie 12,000000u i 111 atomów izotopu 13C o masie 13,003355u

a więc średnia masa atomowa węgla równa jest:

Znajomość mas atomowych pozwala na obliczanie mas cząsteczkowych poprzez sumowanie mas wszystkich atomów wchodzących w skład danej cząsteczki.

W układzie okresowym pierwiastków oraz w różnych zestawieniach z danymi o pierwiastkach podaje się średnią masę atomową policzoną jak na tym przykładzie.

Ruch elektronów wokół jądra atomowego

Dawniej uważano, że ruch elektronów wokół jądra odbywa się po orbitach kołowych, później eliptycznych.

Współcześnie wiadomo, że nie da się ustalić jednoznacznego geometrycznego kształtu toru po jakim poruszają się elektrony wokół jądra atomowego.

Mechanika i chemia kwantowa umożliwiają, na podstawie specyficznych równań, wyznaczenie kształtu przestrzeni wokół jądra, w której elektron może się znaleźć z dużym prawdopodobieństwem.

Elektrony krążą z prędkością około 6 mld okrążeń na mikrosekundę!

W rezultacie w danej chwili elektron znajduje się wszędzie dokoła jądra i tworzy coś w rodzaju chmury elektryczności ujemnej.

Elektrony krążące w tej samej odległości od jądra tworzą powłokę elektronową, powłok tych może być maksymalnie 7.

LICZBY KWANTOWE

Każdemu elektronowi przyporządkować możemy cztery liczb kwantowe:

główną -n

poboczną -l

magnetyczną -m

spinową -s

Nie ma w atomie dwóch elektronów o takim samym zestawie wszystkich czterech liczb kwantowych.
 

LICZBA KWANTOWA GŁÓWNA

Oznaczana jest literą n.

Przyjmuje wartości liczb całkowitych od 1 wzwyż.

Oznacza powłokę na jakiej znajduje się dany elektron.

Dla n=1  elektron znajduje się na pierwszej od jądra powłoce oznaczanej literą K

Dla n=2 elektron znajduje się na drugiej od jądra powłoce oznaczanej literą L itd

Powłoka elektronowa jest zbiorem elektronów o takiej samej wartości liczby kwantowej głównej n

Liczby kwantowe
LICZBA KWANTOWA POBOCZNA (ORBITALNA)

Oznaczana jest literą l

Przyjmuje wartości liczb całkowitych od 0...do n-1

gdy n=1 to l=0

gdy n=2 to l może przyjąć wartości 0 lub 1

gdy n=3 to l może przyjąć wartości 0, 1 lub 2   itd.

Wartościom liczby kwantowej l przypisujemy symbole literowe:

l = 0                            symbol               s

l = 1                            symbol               p

l = 2                            symbol               d

l = 3                            symbol               f

l = 4                            symbol               g        itd

Symbole literowe odpowiadają nazwom orbitali na których znajdują się elektrony             

Możemy sobie wyobrazić orbital jako spowolnioną fotografię ruchu elektronu wokół jądra, orbital jest chmurą elektronową, wskazującą region przestrzeni wokół jądra, gdzie znajduje się elektron.

Kształty orbitali

W atomie dwa elektrony o najniższej energii znajdują się na pierwszej powłoce i zajmują pojedynczy orbital s co zapisuje się 1s2

LICZBA KWANTOWA MAGNETYCZNA

Oznaczana jest literą m

Przyjmuje wartości liczb całkowitych od -l do+l

łącznie z 0

LICZBA KWANTOWA SPINOWA

Oznaczana jest literą s
Przyjmuje jedną z dwóch wartości +1/2 lub -1/2

REGUŁY ROZMIESZCZANIA SIĘ ELEKTORNÓW W STANIE PODSTAWOWYM

·         Orbitale o najniższej energii są wypełniane jako pierwsze w kolejności: 1s  2s  2p  3s  3p  4s  3d

·         Orbital mogą zajmować jedynie dwa elektrony. Muszą mieć one przeciwny spin - tzw zakaz Pauliego

·         Jeżeli dostępne są dwa (lub więcej) nie zapełnione orbitale o równej energii, zajmowane są one kolejno przez pojedyncze elektrony ze spinami równoległymi, aż wszystkie zostaną zajęte - jest to tzw reguła Hunda

Cały nasz wielki świat zbudowany jest z atomów. Atomy składają się z trzech rodzajów cząstek: protonów, neutronów i elektronów.

Protony i neutrony upakowane są w jądrze, które zajmuje pozycję centralną, elektrony zaś krążą wokół niego.

Istnienie masywnych jąder atomowych o objętości stanowiącej tylko niewielką część objętości całego atomu zostało stwierdzone w 1911 roku przez E. Rutherforda i jego współpracowników.

Jądro składa się z protonów (ich liczbę Z nazywa się liczbą atomową) i neutronów. Składniki jądra czyli protony i neutrony nazywamy nukleonami (liczba A nukleonów w jądrze zwana jest liczbą masową tego jądra. Jądra atomowe o tej samej liczbie protonów a różnej liczbie neutronów nazywamy izotopami (jądra tego samego pierwiastka).

Natury sił jądrowych jeszcze nie poznaliśmy do końca, dlatego posługujemy się modelami jądrowymi, które są uproszczonymi koncepcjami budowy jąder. Konkretny model jądrowy powinien prawidłowo (lub choćby tylko w przybliżeniu) prawidłowo w określonym zakresie znany zespół faktów doświadczalnych i przewidywać nowe fakty, które dotychczas nie były obserwowane. Dobry model nie powinien prowadzić do rażących sprzeczności z jakimikolwiek obserwacjami z danej dziedziny. Podstawę modelu jądrowego stanowią zawsze jakieś założenia upraszczające, wskutek czego każdy taki model ma tylko ograniczone zastosowanie.

Ernest Rutherford

Po raz pierwszy wykrył w 1911 roku, bombardując cieniutką złotą folię cząstkami alfa, jądro atomowe i stworzył jądrowy model budowy atomu. Jego imieniem został nazwany pierwiastek nr 104.

Żeby stworzyć nowy pierwiastek trzeba połączyć dwa lżejsze.

Robi się to na ogół w ten sposób, że jądrami jednego pierwiastka strzela się w tarczę innego cięższego pierwiastka.

Niektórym atomom do połączenia potrzeba ogromnej energii. Wtedy pocisk (lżejsze jądro) zanim trafi w tarczę rozpędza się wcześniej do potwornie dużych prędkości. Przykładowo podczas tworzenia pierwiastka 114 zespół J. Oganessiana w Dubnej strzelał lekkim atomem wapnia 48 (ten rzadki izotop wapnia stanowi jedynie 0,187% liczby atomów naturalnego wapnia, zawiera dużą liczbę neutronów) w tarczę z ciężkiego plutonu 244 przez miesiąc.

W jednym z tysięcy zderzeń doszło do zespolenia jąder i powstał nowy, cięższy pierwiastek. Detektor nie rozpoznał co prawda samego pierwiastka nr 114, ale wychwycił produkty jego rozpadu, które zdradzały jego wcześniejszą obecność. To naukowcom wystarcza dziś za dowód.

W naturze występują 94 pierwiastki chemiczne - od wodoru (który ma w jądrze jeden proton) do plutonu (94 protony).

Pozostałe pierwiastki, które dzisiaj znamy, nie występuje nigdzie na Ziemi. Naukowcy otrzymali je w laboratorium w sposób sztuczny. Niestety okazało się, że kolejnych nowych pierwiastków nie da się już tak łatwo wytwarzać - im większe jądro, tym jest mniej trwałe.

Większość rozpada się po przeżyciu zaledwie milisekund. Numer 112 (jeszcze nie nazwany) naukowcy uzyskali w laboratorium na zaledwie 280 mikrosekund. Każdy następny pierwiastek z tablicy Mendelejewa ma większe jądro, a w jego wnętrzu więcej protonów i neutronów.

Protony obdarzone są ładunkiem dodatnim. Zgodnie z prawem Coulomba ładunki o tym samym znaku się odpychają. Każde jądro atomowe powinno się więc rozpaść. Na szczęście tak się nie dzieje. Natura wymyśliła bowiem, że unikające siebie z daleka protony, kiedy znajdą się bardzo blisko siebie - przyciągają się. Dodatkowym "lepiszczem" jądra są jeszcze neutrony, cząstki pozbawione ładunku elektrycznego, które nie odpychają się ani z protonami, ani ze sobą nawzajem, tylko sklejają jądro w całość.

Wyniki badań prowadzone w ostatnich 30 latach wskazują, że nukleony nie są najmniejszą cząstką materii.

...